Полигалактуроназа - Polygalacturonase

Полигалактуроназа
Полигалактуроназа.png
Компьютерное изображение полигалактуроназы, найденное в Aspergillus aculeatus (1IA5) при pH 8,5[1]
Идентификаторы
Номер ЕС3.2.1.15
Количество CAS9032-75-1
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
БРЕНДАBRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
PDB структурыRCSB PDB PDBe PDBsum

Полигалактуроназа (ЕС 3.2.1.15 ), также известный как пектин деполимераза, PG, пектолаза, пектин гидролаза, и поли-альфа-1,4-галактуронид гликангидролаза, является фермент который гидролизует альфа-1,4 гликозидные связи между галактуроновая кислота остатки. Полигалактуронан, основным компонентом которого является галактуроновая кислота,[2] значительный углевод компонент пектин сеть, которая включает стенки клеток растений.[3] Таким образом, активность эндогенный PG растений смягчают и подслащивают фрукты в процессе созревания. Точно так же фитопатогены используют PG как средство ослабления пектиновой сети, так что пищеварительные ферменты могут выделяться в растение-хозяин для получения питательных веществ.

Структура

Множественные параллели этого фермента бета-листы образуют спиральную форму, которая называется бета-спираль. Эта очень устойчивая конструкция благодаря многочисленным водородные связи и дисульфидные связи между цепями, является общей характеристикой ферментов, участвующих в расщеплении пектина.[4] Внутренняя часть бета-спирали гидрофобный.[1]

Изображение полигалактуроназы из Fusarium moniliforme (1HG8) показывает активный сайт пурпурным цветом[5]

Рентгеновская кристаллография был использован для определения трехмерной структуры нескольких PG в разных организмах. Грибковые PG от Colletotrichum lupini,[6] Aspergillus aculeatus,[1] и Aspergillus niger (PG1[7] и PG2[8]) кристаллизовались. PG от бактерий, таких как Эрвиния каротовора[9] и Bacillus subtilis[4] также были кристаллизованы.

В активный сайт из Fusarium moniliforme PG состоит из шести заряженных аминокислота остатки: H188, R267 и K269 участвуют в субстрат связывание, D212 (обычная кислота) отвечает за донорство протонов гликозидному кислороду, а D213 и D191 активируют H2О для нуклеофильная атака.[5]

Механизм

Полигалактуроназа - это пектиназа: фермент, разрушающий пектин. PG гидролизуют О-гликозильные связи в полигалактуроновой сети пектина, в результате чего образуются альфа-1,4-полигалактуроновые остатки.[10] Скорость гидролиза зависит от полисахарид длина цепочки. Низкие скорости гидролиза связаны с очень короткими цепями (например, дигалактуроновая кислота) и очень длинными цепями.[11]

Механизм полигалактуроназы: гидролиз полигалактуронана.[10]

Экзо- и эндо-полигалактуроназы

Экзо- и эндо-ПГ используют разные гидролитические механизмы действия. Эндо-PG гидролизуются случайным образом по полигалактуроновой сети. Этот метод приводит к олигогалактуронидам.[12] Экзо-PG гидролизуются на невосстанавливающем конце полимера, образуя моносахарид галактуроновая кислота. Иногда организмы используют оба метода. Помимо различных способов действия, PG полиморфизм позволяет грибковым PG более эффективно разрушать более широкий спектр растительных тканей. Разновидность PG в оптимальном pH, субстратная специфичность и другие факторы, вероятно, полезны для фитопатогенных организмов, таких как грибы.[4]

Актуальность для сельского хозяйства

Из-за применимости активности этого фермента для сельскохозяйственной продуктивности и коммерческого успеха, большая часть исследований PG вращалась вокруг роли PG в процессе созревания плодов, пыльца, и опадение.

Пектин - один из трех полисахариды присутствует в клеточная стенка растений, и он играет роль в поддержании барьера между внутренней и внешней средой и придает прочность стенкам растительных клеток.[13] В частности, пектин в средняя пластина удерживает соседние клетки вместе.[14]

Созревание фруктов

Первый ГМО еда доступный в магазинах был генетически модифицированный помидор (также известный как Флавр Савр ), которые имели более длительный срок хранения и идеально подходили для транспортировки. Его задержка созревания была достигнута за счет предотвращения разрушения полигалактуроназой пектина, который делает помидоры твердыми. An антисмысловой Был введен ген PG, предотвращающий созревание полигалактуроназы и смягчающий томат.[15] Хотя было показано, что этот метод снижает ферментативную активность PG на 70-90%, антисмысловой РНК не препятствовал нормальному развитию цвета.[16]

Деполимеризация пектина в значительной степени участвует на более поздних стадиях созревания плодов, особенно когда они перезревают.[17] Хотя помидоры являются ярким примером высокой активности PG, этот фермент также очень активен при созревании авокадо и персика. Ферменты PG в персике, два экзо-PG и один эндо-PG, становятся активными, когда плод уже мягкий.[18] В таких фруктах, как хурма, могут отсутствовать ферменты PG или очень низкий уровень PG, поэтому они еще не обнаружены. В этих случаях другие ферменты могут катализировать процесс созревания.

Пыльца

Экзо-PG играют роль в обеспечении удлинения пыльцевой трубки, поскольку перестройка пектина необходима для роста пыльцевые трубки. Эта активность PG была обнаружена в травах, таких как кукуруза а также на деревьях, особенно на Восточный тополь.[19] Экзо-ПГ, участвующие в росте пыльцевой трубки, нуждаются в Ca2+ для максимальной ферментативной активности и может подавляться высокими концентрациями NaCl, цитрат, и EDTA.[11]

Зоны опущения

В значительной степени неясно, играют ли PGs роль в облегчении опадения у некоторых растений, и если да, то действуют ли они экзо- или эндо. Были опубликованы противоречивые исследования, например, о том, участвует ли PG в опадении цитрусовых. Одна конкретная проблема заключалась в использовании анализы которые не подходят для измерения активности экзо-PG.[20] Дополнительным осложнением является разница в ферментативной активности PG между зонами разделения клеток плодов и листьев. У персика активность PG была обнаружена только в зонах опадения плодов.[21]

Другой

Сельскохозяйственные вредители, такие как Lygus hesperus повреждают хлопок и другие культуры, потому что они выделяют в слюне PG, которые переваривают ткани растений. Они используют как экзо-, так и эндо-PG.[22]

Торможение

Белок-ингибитор полигалактуроназы, обнаруженный в Phaseolus vulgaris (1OGQ). Остатки, которые взаимодействуют с активным сайтом PG, выделены синим цветом.[23]

Фитопатогенные грибы подвергают стенки клеток растений воздействию ферментов, разрушающих клеточную стенку (CWDE), таких как PG.[4]В ответ большинство растений обладают естественным ингибитор белки которые замедляют гидролитическую активность PG. Эти ингибиторы также вызывают накопление длинноцепочечных олигогалактуронидов, чтобы стимулировать механизм защиты от атаки.[4] В белки-ингибиторы полигалактуроназы (PGIP) являются богатый лейцином повтор белки, которые, как сообщалось, демонстрируют неконкурентоспособность[24] и конкурентоспособный[5] ингибирование PGs. Активный сайт PG взаимодействует с карманом, содержащим несколько полярных аминокислот в Phaseolus vulgaris PGIP2. Ингибитор предотвращает связывание субстрата, занимая активный центр, что приводит к конкурентное торможение.[23]

Кристаллические структуры PGIP и PGIP2 были определены для bean-компонента. P. vulgaris. Заряженные и полярные остатки, которые взаимодействуют с активным центром PG, были идентифицированы в P. vulgaris как D131, S133, T155, D157, T180 и D203.[23] Используя PGIP2 в качестве шаблона, теоретические структуры других PGIP были определены для некоторых других распространенных культур.

Рекомендации

  1. ^ а б c Чо СВ, Ли С., Шин В. (август 2001 г.). «Рентгеновская структура полигалактуроназы Aspergillus aculeatus и смоделированная структура комплекса полигалактуроназа-октагалактуронат». Журнал молекулярной биологии. 311 (4): 863–78. Дои:10.1006 / jmbi.2001.4919. PMID  11518536.
  2. ^ «Медицинское определение полигалактуронана». Lexic.us.
  3. ^ Джонс, Т. М., Андерсон, А. Дж., И Альбершейм, П. (1972) Взаимодействие с возбудителями-хозяевами IV, Исследования ферментов, разлагающих полисахариды, секретируемых Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici, Physiol. Завод Патол. 2, 153–166.
  4. ^ а б c d е Д'Овидио Р., Маттей Б., Роберти С., Беллинкампи Д. (февраль 2004 г.). «Полигалактуроназы, белки, ингибирующие полигалактуроназу, и пектиновые олигомеры во взаимодействиях между растениями и патогенами». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Белки и протеомика. 1696 (2): 237–44. Дои:10.1016 / j.bbapap.2003.08.012. PMID  14871664.
  5. ^ а б c Федеричи Л., Капрари С., Маттей Б., Савино С., Ди Маттео А., Де Лоренцо Г., Червоне Ф., Церноглоу Д. Структурные требования эндополигалактуроназы для взаимодействия с PGIP (белок, ингибирующий полигалактуроназу). Proc Natl Acad Sci U S. A. 2001, 6 ноября; 98 (23): 13425-30.
  6. ^ Бонивенто Д., Понтиджиа Д., Маттео А.Д., Фернандес-Ресио Дж., Сальви Г., Церноглу Д., Червоне Ф., Лоренцо Г. Д., Федеричи Л. (январь 2008 г.). «Кристаллическая структура эндополигалактуроназы из фитопатогенного гриба Colletotrichum lupini и ее взаимодействие с белками, ингибирующими полигалактуроназу». Белки. 70 (1): 294–9. Дои:10.1002 / prot.21610. PMID  17876815.
  7. ^ ван Поудеройен Г., Снайдер Х. Дж., Бенен Дж. А., Дейкстра Б. В. (ноябрь 2003 г.). «Структурные сведения о процессивности эндополигалактуроназы I из Aspergillus niger» (PDF). Письма FEBS. 554 (3): 462–6. Дои:10.1016 / s0014-5793 (03) 01221-3. PMID  14623112.
  8. ^ ван Сантен Й., Бенен Дж. А., Шретер К. Х., Калк К. Х., Арманд С., Виссер Дж., Дейкстра Б. В. (октябрь 1999 г.). «1.68-Кристаллическая структура эндополигалактуроназы II из Aspergillus niger и идентификация остатков активного сайта с помощью сайт-направленного мутагенеза». Журнал биологической химии. 274 (43): 30474–80. Дои:10.1074 / jbc.274.43.30474. PMID  10521427.
  9. ^ Пикерсгилл Р., Смит Д., Уорбойз К., Дженкинс Дж. (Сентябрь 1998 г.). «Кристаллическая структура полигалактуроназы Erwinia carotovora ssp. Carotovora». Журнал биологической химии. 273 (38): 24660–4. Дои:10.1074 / jbc.273.38.24660. PMID  9733763.
  10. ^ а б «Информация по ЭК 3.2.1.15 - полигалактуроназа». БРЕНДА.
  11. ^ а б Пресси Р., Регер Б.Дж. (1989). «Полигалактуроназа в пыльце кукурузы и других трав». Растениеводство. 59 (1): 57–62. Дои:10.1016/0168-9452(89)90008-3.
  12. ^ Феррари С, Саватин Д.В., Сицилия Ф., Граменья Дж., Червоне Ф., Лоренцо Дж. Д. (13 марта 2013 г.). «Олигогалактурониды: молекулярные структуры, связанные с повреждением растений, и регуляторы роста и развития». Границы растениеводства. 4 (49): 49. Дои:10.3389 / fpls.2013.00049. ЧВК  3595604. PMID  23493833.
  13. ^ Harholt J, Suttangkakul A, Vibe Scheller H (июнь 2010 г.). «Биосинтез пектина». Физиология растений. 153 (2): 384–95. Дои:10.1104 / стр.110.156588. ЧВК  2879803. PMID  20427466.
  14. ^ Орфила С., Сеймур, Дж. Б., Уиллатс В. Г., Хаксхэм И. М., Джарвис М. С., Довер С. Дж., Томпсон А. Дж., Нокс Дж. П. (май 2001 г.). «Изменение гомогалактуронана средней ламели и нарушение отложения (1 -> 5) -альфа-L-арабинан в околоплоднике Cnr, созревающего мутанта томата». Физиология растений. 126 (1): 210–21. Дои:10.1104 / стр.126.1.210. ЧВК  102295. PMID  11351084.
  15. ^ Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л., Страйер Л. (2012). Биохимия (7-е изд.). В. Х. Фриман и компания. п. 167. ISBN  9781429229364.
  16. ^ Шихи Р. Э., Крамер М., Хиатт В. Р. (декабрь 1988 г.). «Снижение активности полигалактуроназы в плодах томата антисмысловой РНК». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 85 (23): 8805–9. Дои:10.1073 / пнас.85.23.8805. ЧВК  282595. PMID  16593997.
  17. ^ Хэдфилд К.А., Беннетт А.Б. (июнь 1998 г.). «Полигалактуроназы: многие гены в поисках функции». Физиология растений. 117 (2): 337–43. Дои:10.1104 / стр.117.2.337. ЧВК  1539180. PMID  9625687.
  18. ^ G Downs C, J, Brady C, Gooley A (июнь 1992 г.). «Белок экзополигалактуроназа накапливается в конце созревания плодов персика». Physiologia Plantarum. 85 (2): 133–140. Дои:10.1111 / j.1399-3054.1992.tb04715.x.
  19. ^ Пресси, Рассел (1991). «Полигалактуроназа в пыльце деревьев». Фитохимия. 30 (6): 1753–1755. Дои:10.1016 / 0031-9422 (91) 85006-Л.
  20. ^ Бергер Р.К., Рейд П.Д. (15 января 1979 г.). «Роль полигалактуроназы в опадении листьев фасоли». Физиология растений. 63 (6): 1133–1137. Дои:10.1104 / стр.63.6.1133. ЧВК  542983. PMID  16660870.
  21. ^ Бонги С., Расио Н., Рамина А., Касадоро Г. (декабрь 1992 г.). «Участие целлюлазы и полигалактуроназы в опадении эксплантатов листьев и плодов персика». Молекулярная биология растений. 20 (5): 839–848. Дои:10.1007 / bf00027155. PMID  1281437.
  22. ^ Celorio-Mancera Mde L, Карл Греве L, Teuber LR, Labavitch JM (февраль 2009 г.). «Определение активности эндо- и экзо-полигалактуроназ в слюнных железах Lygus hesperus (Knight)» (PDF). Архивы биохимии и физиологии насекомых. 70 (2): 122–35. Дои:10.1002 / arch.20282. PMID  19085947.
  23. ^ а б c Ди Маттео А., Федеричи Л., Маттей Б., Сальви Дж., Джонсон К. А., Савино С., Де Лоренцо Дж., Церноглоу Д., Червоне Ф. (август 2003 г.). «Кристаллическая структура белка, ингибирующего полигалактуроназу (PGIP), богатого лейцином повторяющегося белка, участвующего в защите растений». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 100 (17): 10124–8. Дои:10.1073 / pnas.1733690100. ЧВК  187787. PMID  12904578.
  24. ^ Дэниел Кинг, Карл Бергманн, Рон Орландо, Жак А. Э. Бенен, Гарри К. М. Кестер и Яап Виссер; «Использование масс-спектрометрии с амидным обменом для изучения конформационных изменений в системе эндополигалактуроназа II - полигалактуроновая кислота - белок, ингибирующий полигалактуроназу», Biochem. 41, 10225-10233, 2002

внешняя ссылка